尿素熱解技術在鍋爐煙氣脫硝工程中的應用介紹

王 瑩

（北京洛卡環保技術有限公司，中國 北京 100000）

0 背景

選擇性催化還原煙氣脫硝技術最早在美國獲得專利，于20世紀70年代末首先在日本應用于燃氣和燃油鍋爐，于80年代初用于燃煤鍋爐低塵與高塵環境，于80年代中后期在歐洲經過示范試驗后開始商業推廣，于90年代初進入美國市場。繼日本和歐洲之后，美國于上世紀末期開始大范圍安裝煙氣脫硝裝置，代表了當前世界范圍內煙氣脫硝技術水平，其脫硝還原劑制備工藝的選型、設計與應用等方面的經驗值得國內借鑒。

液氨、氨水及尿素均可作為煙氣脫硝還原劑，隨著脫硝還原劑儲存、制備及供應技術的日漸成熟，脫硝還原劑的選擇主要從安全與經濟角度考慮。盡管國外以液氨為還原劑的電站鍋爐煙氣脫硝工程至今未出現嚴重的氨泄漏事故，但由于從地方管理部門獲得液氨的使用與運輸許可證越來越困難，安全防范要求越來越嚴，相應的安全成本越來越大，因此，氨水和尿素證越來越多地作為脫硝還原劑使用。

目前，國內已經有多家電廠在脫硝工程中采用尿素熱解技術，并且取得了成功的應用經驗。

1 尿素熱解技術

目前通用的尿素熱解技術基于美國Fule Tech公司設計的尿素熱解制氨技術。

1.1 尿素熱解原理

尿素熱解反應過程是將高濃度的尿素溶液噴入熱解爐，在溫度為350-650℃的熱煙氣條件下，液滴蒸發，得到固態或者熔化態的尿素，純尿素在加熱條件下分解和水解，最終生成NH3和CO2，NH3作為脫硝還原劑送入反應器內，在催化劑作用下有選擇性地將NOx還原成N2和H2O。熱解主要反應總式可表示為：

目前普遍認為尿素熱解制氨的生成分三步實現：（1）尿素水溶液蒸發析出尿素顆粒；（2）尿素熱解生成等物質的量的氨氣和異氰酸（HNCO）；（3）異氰酸進一步水解生成等物質量的氨氣和二氧化碳。主要反應式可表示為：

1.2 主要工藝流程

圖1 尿素熱解制氨工藝流程圖

尿素熱解工藝的常用流程為：尿素顆粒儲存于儲倉，由稱重給料機輸送至尿素溶解罐，用除鹽水將固體尿素溶液成50%的尿素溶液（需外部加熱，保證尿素溶液的溫度在30℃以上），尿素溶液經由給料泵、循環系統、計量分配裝置、霧化噴嘴等進入絕熱分解室（熱解爐），稀釋空氣經加熱也進入到分解室。霧化后的尿素液滴在絕熱分解室內分解，生產的分解產物為氨氣和二氧化碳，分解產物經由氨噴射系統進入脫硝煙道。圖1為目前國內應用較多的尿素熱解制氨工藝流程。

熱解室可利用燃油、燃氣、電源、高溫蒸汽/煙氣等作為熱源來完全分解尿素。在所要求的溫度（如350-650℃）下，熱解爐需要提供足夠的停留時間，以確保尿素到氨的100%轉化率。

熱解爐的容積是依據尿素分解所需要的體積來確定。熱空氣將通過加熱器控制裝置以維持適當的尿素分解溫度。尿素經過噴射器注入到熱解爐，尿素的添加量由SCR反應器氨需量來決定。系統在熱解爐出口處提供氨氣/空氣混合物。氨氣/空氣混合物中的氨體積含量小于5%。

2 應用舉例

某電廠2×300MW機組鍋爐由哈爾濱鍋爐廠設計制造，為HG-1060/17.5-HM型亞臨界壓力一次中間再熱自然循環、單爐膛、П型布置、平衡通風、固態排渣煤粉爐。鍋爐以最大連續負荷(即BMCR工況)為設計參數，鍋爐的最大連續蒸發量為1060t/h；機組電負荷為300MW(TRL工況)時，鍋爐的額定蒸發量為1008.8t/h。由于出口煙氣中NOx值超出國家排放標準，委托國內某公司對其進行脫硝改造。脫硝系統入口參數見表1。

表1 脫硝系統入口煙氣參數表

將分析比較，最終采用尿素熱解發進行此次脫硝改造，在設計工況下，單臺爐氨需量按170kg/h進行設計，經計算得到尿素耗量為306kg/h，尿素熱解采用鍋爐熱一次風（壓力：8kPa，溫度：300℃），風量設計值為6500Nm3/h，用電加熱器將一次風加熱到約600℃，電加熱器功率750kW。該電廠脫硝系統投運后的監測數據（表2）表明，脫硝系統投運后達到了理想的脫硝效率。

表2 脫硝系統運行記錄

采用尿素熱解法，煙氣中Nox含量均達到了國家排放標準，設備運行良好，達到了預期的脫硝效率。

3 應用中容易出現的故障現象和應對策略

3.1 熱源耗能大、運行費用高

尿素熱解裝置在運行過程中，依托熱源加熱空氣，無論采用燃油、燃氣還是電源，消耗量始終較大，分析其原因主要是稀釋風溫度低、流量大。并且由于系統氨需量大，尿素熱解吸收較大的熱量，需要提供的熱量就越多。

相對于燃油，燃氣和電源，采用高溫蒸汽/煙氣作為熱源是電廠最容易接納的。但由于采用蒸汽/煙氣需要加裝可靠的換熱設備，目前還處于研究階段。

3.2 熱解爐尾部積物較快

熱解的兩個重要因素是足夠的熱量和較好的尿素溶液霧化效果。

熱解爐在使用過程中發生因為底部尾管處尿素積存過多，導致出口風量減少，系統氨需量不夠，直接造成熱解爐停運清理，影響脫硝裝置的可靠性。

熱解爐及其出口管道保溫設計或施工不到位，致使混合氣管道溫度低于尿素分解產物的逆反應溫度，管壁產生尿素結晶，致使管道堵塞。運行實踐表明，將熱解爐出口管道的保溫厚度限定在200mm以上，能有效的保證熱解系統的運行。

如果熱解爐內熱空氣的流量低或溫度低,都會造成尿素溶液得不到完全熱解而在尾部形成沉積。通過控制熱解爐尾部出口混合氣體的溫度大于320℃可以很好地解決此問題。

3.3 霧化空氣的品質影響熱解爐的運行

如果尿素霧化空氣品質差,霧化空氣中含有油、水和塵,運行時間長后容易堵塞浮子流量計，浮子流量計不報警,尿素溶液得不到霧化,直接噴入尿素熱解爐,影響其熱解效果,尿素直接沉積到熱解爐尾管,造成堵塞。可以更換霧化空氣的供氣來源,將原有雜用空氣更換為儀用空氣,并定期檢查壓縮空氣系統的運行狀況,及時維護,保證系統的清潔和暢通。經過實際使用情況表明,此辦法可以有效地解決熱解爐尾部管道沉積物堵塞的問題。

3.4 加熱介質影響脫硝效率

由于空氣預熱器后的一次風仍含有一定的粉塵，脫硝噴氨格柵長期運行后，可能會造成局部的噴嘴堵塞，影響脫硝系統效率，建議在噴氨格柵的調節門后增加壓縮空氣吹掃裝置，定期對管道進行吹掃。

4 結論

尿素熱解技術目前在國內已經非常成熟，已經在多家電廠投運并運轉良好，達到了預期的脫硝效率。雖然存在上述問題，但只要在運行中加以注意即可避免。隨著國家環保新政的頒布，尿素熱解技術將成為火力發電廠煙氣脫硝技術的主流，得到更大的推廣和應用。

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［2］蔡玲.SCR法煙氣脫硝技術在燃煤電廠的應用[J].電力職業技術學刊,2011,NO.1:22-25.

［3］莊建華.SCR煙氣脫硝技術的應用[J].發電設備,2010,02:142-145.